生物催化物质.ppt

生 物 催 化 物 质,第一节 概 述,酶是由活细胞产生的一类具有催化活性的蛋白质 特点：活细胞产生 催化活性不依赖完整细胞的存在 不都是蛋白质 目前将生物催化剂分为两类 酶、核酸催化剂（核酶、脱氧核酶）,一、酶的概念,与一般催化剂的异同,加快反应速度,本身在反应前后无变化 催化热力学上允许进行的化学反应,来源 本质 催化特点 高度催化效率 高度专一性 高度不稳定性 可代谢及可调节性,绝对特异性 相对特异性 立体异构特异性,1. 核酶(ribozyme) 具有催化活性的RNA,二、核酶的简介,1982年,Cech等在研究四膜虫rRNA前体加工时，发现其rRNA前体具有自我剪接的能力。是对传统酶学的补充。,核酶二级结构槌头状结构,底物部分,同一分子上包括有催化部份和底物部份 催化部份和底物部份组成锤头结构,第二节 酶的分子结构与催化活性,一、 酶的化学组成,单纯酶 (simple enzyme) 结合酶 (conjugated enzyme),酶蛋白决定反应的特异性 辅助因子参与具体反应过程,辅酶 (coenzyme): 与酶蛋白结合疏松，非共价键相连，可用透析或超滤的方法除去。,辅基 (prosthetic group): 与酶蛋白结合紧密，共价键相连，不能用透析或超滤的方法除去。,金属离子的作用 组成酶的活性中心； 稳定酶的构象； 参与催化反应，传递电子； 在酶与底物间起桥梁作用；,小分子有机化合物的作用 在反应中起运载体的作用，传递电子、质子或其它基团。,二、 维生素的种类及B族维生素的辅酶（辅基）形式和主要作用,三、酶的活性中心,必需基团(essential group) 酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中，一些与酶活性密切相关的化学基团。,或称活性部位(active site)，指必需基团在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异结合并将底物转化为产物。,酶的活性中心(active center),活性中心内的必需基团,位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的空间构象所必需。,活性中心外的必需基团,底 物,活性中心以外的必需基团,结合基团,催化基团,活性中心,四、酶的分子结构与催化活性的关系,五、酶原与酶原的激活,酶原 (zymogen)：有些酶在特定细胞内合成或刚分泌时没有形成活性中心或活性中心被酶分子的其它部位覆盖，因此无催化活性。 酶原的激活：酶原在一定条件下经蛋白水解酶作用，切去一段或几段肽段使其形成活性中心或已形成的活性中心暴露，使无催化活性的酶原转变为有催化活性的酶的过程。,酶原激活的机理,胰蛋白酶原的激活过程,酶原激活的生理意义,避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化 酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证 体内代谢正常进行。,六、 同工酶,同工酶(isoenzyme)是指催化相同的化学反应，而酶蛋白的分子结构、理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。,举例：乳酸脱氢酶(LDH1 LDH5) 四个亚基四聚体，M型、H型 分子结构不同，电泳速度不同，电泳分离LDH1LDH2LDH3 LDH4 LDH5,不同组织中各酶的含量与分布比例不同 与组织利用乳酸的生理过程有关 LDH1、2 乳酸亲和力大，氧化成丙酮酸 心肌 有氧氧化 LDH4、5 丙酮酸亲和力大，还原成乳酸 骨骼肌 无氧酵解,代谢调节,诊断疾病：特异性组织损伤，酶谱改变,六、别构酶,别构调节 (allosteric regulation),别构酶 (allosteric enzyme) 别构效应剂 (allosteric effector) 别构激活剂与别构抑制剂,别构剂与某些酶分子活性中心外的某部分可逆地结合，使酶构象改变，从而改变酶的催化活性，此种调节方式称别构调节。,别构酶结构特点：多亚基寡聚酶 催化位点与别构位点 别构剂：生理小分子物质 (底物、产物、中间代谢物) 别构激活剂与别构抑制剂 调节代谢,常位于代谢途径的开端,别构酶常为多个亚基构成的寡聚体，具有协同效应。,别构激活,别构抑制,别构酶的形曲线,七、多酶复合体、多酶体系与多功能酶,多酶复合体：几种酶分子聚集在一起组成一物理复合体，若把物理复合体解体，各酶活性消失 丙酮酸脱氢酶复合体：丙酮酸脱氢酶、二氢硫辛酸乙酰转移酶、二氢硫辛酸脱氢酶 多酶体系：代谢途径中许多酶参与，依次完成反应过程，但彼此结构无关联 糖酵解过程中的11个酶均位于细胞液中，组成一个多酶体系,多功能酶(multifunctional enzyme) ：有的酶分子中存在多种催化活性部位 大肠杆菌DNA聚合酶I、哺乳动物的脂肪酸合成酶 意义：提高催化效率,第三节 酶促反应的特点及作用机制,（一）酶促反应具有高度的催化速率,一、 酶促反应的特点,酶的催化效率通常比非催化反应高1081020倍，比一般催化剂高1071013倍。 酶的催化不需要较高的反应温度。 酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的活化能(activation energy)。酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。,活化能：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。,一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一定的化学键，催化一定的化学反应并生成一定的产物。酶的这种特性称为酶的特异性或专一性。,* 酶的特异性(specificity),（二）酶促反应具有高度的特异性,绝对特异性(absolute specificity)：只能作用于一种底物进行反应 相对特异性(relative specificity)：作用于一类化合物或一类化学键进行反应。 立体结构特异性(stereo specificity)：对底物的立体构型有严格要求。,（三）酶活性的可调节性,别构调节 酶原与酶原的激活 共价修饰的调节 酶含量的调节,二、酶促反应的作用机制,1、酶与底物形成酶-底物复合物 2、酶与底物的过渡状态互补,酶底物复合物,酶降低反应的活化能： 释放出的结合能抵消部分活化能,酶与底物相互接近时, 其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互结合。,二、酶促反应作用机制,邻近效应(proximity effect)与 定向排列(orientation arrange ),2. 多元催化 两性电解质，含有多种功能基团，同一种功能基团在不同的蛋白质分子中处于不同的微环境下，解离度也有差异。 3. 表面效应,第四节 酶促反应的动力学,概念 研究酶促反应速度和影响酶促反应速度的因素 影响因素包括有 酶浓度、底物浓度、pH、温度、 抑制剂、激活剂等,研究一种因素的影响时,其余各因素均恒定 反应初速度条件：当底物浓度足够大、产物不影响催化效率, 此时酶促反应速度与E浓度成正比 酶促反应速度一般在规定的反应条件下，用单位时间内底物的消耗量和产物的生成量来表示,一、酶浓度对酶促反应速度的影响,当SE，酶反应速度与酶浓度成正比 V = K E,二、底物浓度对酶促反应速度的影响,研究前提,其他因素不变 反应初速度条件,底物浓度对反应速度的影响 矩形双曲线,当底物浓度较低时,反应速度与底物浓度成正比,随着底物浓度的增高,反应速度不再成正比例加速,当底物浓度高达一定程度,反应速度不再增加，达最大速度,米曼氏方程式,中间复合物,酶促反应模式中间复合物学说,米曼氏方程式推导基于两个假设： E与S形成ES复合物的反应是快速平衡反应，而ES分解为E及P的反应为慢反应，反应速度取决于慢反应即 Vk3ES。 (1) S的总浓度远远大于E的总浓度，因此在反应的初始阶段，S的浓度可认为不变即SSt。,1913年Michaelis和Menten提出反应速度与底物浓度关系的数学方程式，即米曼氏方程式，简称米氏方程式(Michaelis equation)。,S：底物浓度 V： 不同S时的反应速度 Vmax：最大反应速度(maximum velocity) m：米氏常数(Michaelis constant),Sm：V= Vmax S=m：V= ()Vmax,当反应速度为最大反应速度一半时,Km值的推导,KmS,Km值等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度，单位是mol/L。,Km与Vmax的意义,Km值 Km等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。 意义： a) Km是酶的特征性常数之一； b) Km可近似表示酶对底物的亲和力； c) 同一酶对于不同底物有不同的Km值。,Vmax 定义：Vm是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度成正比。,意义：Vmax=K3 E 如果酶的总浓度已知，可从Vmax计算 酶的转换数(turnover number)，即动力学常数K3。,定义 当酶被底物充分饱和时，单位时间内每个酶分子催化底物转变为产物的分子数。 意义 可用来比较每单位酶的催化能力。,酶的转换数,m值与max值的测定,双倒数作图法(Lineweave-Burk plot),同工酶A、B催化同一反应，EA Km 10uM，EB Km 100uM，哪个催化反应快？ 如果使v达到Vm的80%， EA 、 EB各加入多少S？ 当酶促反应中S =15 Km ，v为Vm的百分之几？ 要使v=90%Vm ，加入多少S?,双重影响 温度升高，酶促反应速度升高； 温度升高,可引起酶的变性, 从而反应速度降低,三、温度对反应速度的影响,最适温度 ： 酶促反应速度最快时的环境温度。,四、 pH对反应速度的影响,催化作用与活性基团、底物分子、辅助因子的电离状态有关 最适pH,五、激活剂的影响,激活剂(activator) 提高酶活性,加速酶促反应进行的物质 无机离子激活剂 小分子有机化合物 生物大分子激活剂,六、抑制剂对反应速度的影响,酶的抑制剂(inhibitor) 凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质称为酶的抑制剂。 酶的钝化作用 强酸强碱造成酶的变性失活,酶的抑制作用： 抑制剂作用下酶活性中心或必需基团发生性质的改变并导致酶活性降低或丧失的过程。,抑制作用的类型,不可逆性抑制 (irreversible inhibition),可逆性抑制 (reversible inhibition)：,竞争性抑制 (competitive inhibition) 非竞争性抑制 (non-competitive inhibition) 反竞争性抑制 (uncompetitive inhibition),(一) 不可逆性抑制作用,抑制剂以共价键与酶活性中心的必需基团相结合，使酶失活；结合牢固不能用透析或超滤的方法去除抑制剂。 非专一性不可逆性抑制 专一性不可逆性抑制,非专一性不可逆性抑制,抑制剂与酶的一类或几类基团结合 , 不区分其结合的基团属必需基团或非必需基团 重金属离子及砷化合物 巯基酶 解毒 - - - 二巯基丙醇(BAL),路易士气,失活的酶,巯基酶,失活的酶,酸,BAL,巯基酶,BAL与砷剂结合物,抑制剂专一性作用于酶活性中心的必需基团 并导致酶活性的抑制 有机磷化合物 羟基酶 解毒 - - - 解磷定(PAM),专一性不可逆性抑制,有机磷化合物,羟基酶,失活的酶,酸,（二） 可逆性抑制作用,抑制剂以非共价键与酶或酶-底物复合物可逆性结合，使酶的活性降低或丧失；抑制剂可用透析、超滤等方法除去 竞争性抑制 非竞争性抑制 反竞争性抑制,.竞争性抑制作用,反应模式,抑制剂与底物的结构相似，能与底物竞争酶的活性中心，从而阻碍酶底物复合物的形成，使酶的活性降低。,特点,抑制作用强弱取决于I/S；抑制作用可被高浓度S解除,I与S结构类似,竞争酶的活性中心,动力学特点：Vmax不变,Km增大,斜率增大,举例,丙二酸与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶,磺胺类药物的抑菌机制 与对氨基苯甲酸竞争二氢叶酸合成酶,2.非竞争性抑制,* 反应模式,特点,抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合，底物与抑制剂之间无竞争关系；,抑制程度取决于抑制剂的浓度；抑制作用不能被高浓度S解除,动力学特点：Vmax降低，Km不变，斜率增大,.反竞争性抑制,反应模式,特点：,抑制剂与酶-底物复合物结合,抑制程度取决与抑制剂的浓度及底物的浓度；抑制作用不能被高浓度S解除,动力学特点：Vmax降低 , Km降低，斜率不变,各种可逆性抑制作用的比较,第五节 酶的调节,调节对象 限速酶/关键酶,（一）别构酶,变构效应剂 (allosteric effector),变构调节 (allosteric regulation),变构酶 (allosteric enzyme),变构部位 (allosteric site),一些代谢物可与某些酶分子活性中心外的某部分可逆地结合，使酶构象改变，从而改变酶的催化活性，此种调节方式称变构调节。,变构酶常为多个亚基构成的寡聚体，具有协同效应,变构酶的形曲线,（二） 修饰酶,共价修饰(covalent modification) 在其他酶的催化作用下，某些酶蛋白肽链上的一些基团可与某种化学基团发生可逆的共价结合，从而改变酶的活性，此过程称为共价修饰。,常见类型 磷酸化与脱磷酸化（最常见） 乙酰化和脱乙酰化 甲基化和脱甲基化 腺苷化和脱腺苷化 SH与SS互变,酶的磷酸化与脱磷酸化,二、 酶含量的调节,（一）酶蛋白合成的诱导和阻遏 诱导作用(induction) 阻遏作用(repression) （二）酶降解的调控,第六节 酶在医学上的应用,一、酶活力测定和酶单位,酶促反应速度